可靠性理論在城市軌道交通供電系統中壓環網分區設計中的應用

謝 紅夏金鳳張華志(.武漢輕工大學電氣與電子工程學院,4004,武漢;.中車株洲電力機車有限公司,400,株洲; .中鐵第四勘察設計院集團有限公司,4006,武漢∥第一作者,講師)

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可靠性理論在城市軌道交通供電系統中壓環網分區設計中的應用

謝 紅1夏金鳳2張華志3
(1.武漢輕工大學電氣與電子工程學院,430024,武漢;2.中車株洲電力機車有限公司,412001,株洲; 3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥第一作者,講師)

摘 要定性分析已難以滿足城市軌道交通中壓環網分區方案精細化設計要求,必須以定量分析作為評價或研究的基礎。根據可靠性理論,采用馬爾可夫狀態空間法、最小路集法建立了城市軌道交通中壓環網分區模型,結合具體工程對中壓環網分區方案與車站變電所可靠性進行了定量分析。建議在前期設計時,應采用可靠性理論對年平均停運時間進行評估,以確定兼顧經濟性和可靠性的中壓環網分區方案。

關鍵詞城市軌道交通;供電系統;可靠性理論;中壓環網分區

First-author′s address School of Electrical&Electronic Engcneering, Wuhan Polytechnic University,430024, Wuhan,China

長期以來,一般僅從供電系統的運行方式、設備構成等方面對供電系統的可靠性進行定性的評估,很少采用量化數據進行分析。隨著城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)的重要性日益突出,簡單的定性分析已難以滿足精度要求,必須以定量分析作為評價或研究的基礎。

目前,我國對城軌供電系統的可靠性研究還比較少,對各設備的基礎可靠性數據還遠不完善。然而,主變電所和中壓環網設備均為電力通用產品,為此本文基于城軌供電系統自身特點同時借鑒電力系統相關研究成果,采用可靠性理論對中壓環網分區方案與車站變電所可靠性進行定量分析,以確定兼顧經濟性和可靠性的中壓環網分區方案。

1　可靠性模型及評價指標

1.1可靠性簡介

供電系統可靠性是指對系統按可接受的電能質量標準和所需電量不間斷地向電力用戶供應電力和電能量能力的度量。可靠性包括充裕度、安全性和供電連續性三個方面。由于城軌供電系統一般采用高可靠性設計,系統結構比較規整簡潔,建成后系統穩定成型。城軌主變電所內主變壓器及其他重要設備在設計中考慮了備用措施,向牽引變電所供電的中壓環網電纜均設置2個回路,以保證不間斷供電。基于城軌供電系統的這些特點,城軌供電系統的充裕度足可滿足供電要求。所以,城軌供電系統可靠性應主要從安全性和連續性方面進行重點分析評估。

1.2可靠性研究方法

1.2.1單個設備的可靠性研究方法

對單個設備而言,其維修實際上是一個隨時間變化的隨機過程。一般是從正常工作狀態轉移到故障狀態或者檢修狀態,再經過修復回到正常狀態,如此往復循環下去。這種由一種狀態轉移到另一種狀態的“狀態轉移”是隨機的。在可維修設備的可靠性分析中,元件狀態的轉移概率只與現在時刻所處的狀態有關,而與以前或有限次前所處的狀態無關,這就是馬爾可夫過程。因此,單個設備的可靠性研究可采用馬爾可夫狀態空間法。

大量的統計結果表明,電力系統的主要元件,如變壓器、斷路器、線路等子系統的壽命τ和檢修時間T均服從指數分布或近似服從指數分布,因此電力系統中的狀態轉移率可近似地視為常數。系統的狀態變化過程則構成了齊次馬爾可夫過程。

在以往的可靠性分析中,變壓器、母線這些功率元件一般采用三狀態模型(正常、計劃維修、故障后修復),斷路器、隔離開關等操作元件一般采用計入設備拒動和誤動的五狀態模型。需要注意的是這些模型均基于繼電保護裝置完全可靠這一前提條件,實際上繼電保護裝置也可能會出現誤動和拒動。本文在設備可靠性建模時,充分考慮了繼電保護影響因素,通過將繼電保護的故障反映到設備可靠性模型中的方法,從而在可靠性評估中計入繼電保護的影響。考慮繼電保護影響后,城軌主要電氣設備,如母線、變壓器、斷路器等可靠性都可采用五狀態模型進行評估,見圖1。

圖1　單個設備可靠性模型

1.2.2系統可靠性研究方法

由馬爾可夫狀態空間法可得各個元件的可靠性指標,而關于整個系統的可靠性,應綜合計算各個元件可靠性指標。這些指標一般采用最小路集法來求解。

路集是從系統正常工作角度考慮問題的。網絡圖連接任意2個節點間弧的集合稱為這兩個節點間的一條路;由輸入節點到輸出節點的所有路的集合稱為路集。如果一條路中移去任意一條弧后就不再構成路,則稱這條路為最小路;由最小路構成的集合稱為最小路集。

尋求最小路的方法有很多,比較常用的是鄰接矩陣法。但是當網絡節點數很大時,用鄰接矩陣法求最小路集就需要較大的存儲容量和計算工作量。稀疏矩陣技術對傳統的搜索最小路方法進行了改進,通過定義特殊的矩陣乘法規則,用矩陣的乘法運算可完成對最小路的搜索過程,大大提高了計算效率。

1.2.3可靠性評價指標

城軌供電系統在廣義上屬于配電系統。其適用的可靠性評價指標主要有:年平均故障停運率λ;平均停運持續時間r;年平均停運時間U。

λ是指負荷點在一年中因元件故障而造成停電的次數,單位一般采用次/a。r是指從停電開始到恢復供電這段時間的平均值,單位采用h/次,可在一定程度上說明了停電事故發生后恢復供電的類型。U指負荷點一年內每次停電的時間總和,單位采用h/a,其值越大則該所的供電可靠性越低。

結合城軌供電系統的特點,推薦U作為可靠性的核心評價指標。

2　中壓環網分區方案可靠性實例分析

2.1中壓環網分區方案

根據國內中壓供電系統建設和運行經驗,現以某工程兩個典型的中壓環網供電方案進行分析。

2.1.1中壓環網方案一(小分區)

網絡接線詳見圖2。該方案兩座主站從城市電網分別引入兩回110 k V電源。正常運行時主變電所兩臺110/35 k V主變壓器分列運行。低壓35 k V側采用單母線分段接線方式,并饋出35 k V電源給沿線牽引和降壓變電所供電。車站牽引降壓混合變電所或降壓變電所采用單母線分段接線,各分區臨近主變電所的牽引降壓混合變電所或降壓變電所的兩段母線分別從主變電所的35 k V兩段母線上引入一回電源,其他牽引降壓混合變電所或降壓變電所通過串接的方式從兩段35 k V母線上引入二回電源。牽引變電所的兩臺整流機組接在同一段母線上構成24脈波整流,降壓變電所的兩臺35/0.4 k V變壓器分別接在兩段35 k V母線上。

中壓供電網絡共分四個供電分區,每個供電分區內有3～4座變電所。這也是俗稱“小分區”的分區方案。

圖2　中壓供電系統網絡接線方案一

2.1.2中壓環網方案二(大分區)

網絡接線詳見圖3。該方案與方案一的區別在于供電分區的變電所個數,每個供電分區內有2～7座變電所。這也是俗稱“大分區”的分區方案。

圖3　中壓供電系統網絡接線方案二

2.2計算模型

中壓環網分區方案可靠性計算可歸納為以下幾步:①把整個電氣主接線看作是一個由若干元件構成的系統,列出它所包括的元件。元件包括主變壓器、斷路器、母線、隔離開關、電纜等。②給出每個元件的可靠性參數如故障率、修復率和停運時間等。③建立網絡圖。④建立數學模型,求出到車站變電所之間的所有最小路。⑤計算可靠性指標,進行可靠性評價。

2.3典型運行方式

本次研究對以下典型運行方式可靠性進行了分析:①主變電所正常運行時,各車站變電所可靠性;②主變電所正常運行且一回35 k V電纜故障時,各車站變電所可靠性;③主變電所解列,由相鄰主變電所支援供電時,各車站變電所可靠性。

2.4計算結果

各車站變電所年平均停運時間計算結果見表1和表2。由兩表可知:在正常運行方式下,方案一可靠性最低的車站變電所年平均停運時間為0.497 3 h/a,方案二為0.704 1 h/a,可靠性約低40%。當主變電站與車站變電所間一回中壓電纜故障時,與該中壓電纜相關的分區內的車站變電所可靠性相應降低。在此種情況下,方案一可靠性最低的車站變電所年平均停運時間為0.994 8 h/a,方案二年平均停運時間為1.408 4 h/a。

當主變電所解列,由相鄰主變電所支援供電時,方案一可靠性最低的車站變電所年平均停運時間為1.142 5 h/a,方案二年平均停運時間為1.349 3 h/ a,方案一可靠性依然高于方案二。

表1　中壓環網分區方案一各車站變電所年平均停運時間　h/a

表2　中壓環網分區方案二各車站變電所年平均停運時間　h/a

由此可見,與以往設計的定性分析相比,采用可靠性理論后,可對城軌供電系統中壓環網分區方案進行定量分析。

3　結語

鑒于城市軌道交通在城市運輸組織的地位日益突出,供電系統又是城市軌道交通的動力源泉,一旦發生停電事件,不僅造成地鐵公司經濟損失,且會造成一定的社會影響和損失。故在系統投資合理的前提下,中壓環網分區方案應充分考慮車站變電所供電的可靠性。在前期設計時,應采用可靠性理論對年平均停運時間進行定量分析,以確定兼顧經濟性和可靠性的中壓環網分區方案。

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Reliability Theory Applied in the Design of Medium Voltage Network Ring Partition in Urban Rail Power Supply System

Xie Hong,Xia Jinfeng,Zhang Huazhi

AbstractQualitative analysis could not meet the requirements in the design of medium voltage ring network partition(MVRNP),so quantitative analysis should be used as the basis of evaluation and research.According to the reliability theory,Markov State Space method and the minimum path set method are used to establish a MVRNP model,a specific engineering for MVRNP scheme is combined with the substation reliability quantitative analysis at metro station.In the early stage of the design,reliability theory should be adopted for MVRNP scheme analysis and evaluation to determine both the economy and reliability of MVRNP scheme.

Key wordsurban mass transit;power supply sysfem;reliability theory;medium voltage network ring partition

(收稿日期:2014-04-03)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.017

中圖分類號U 223.6